Coulombov zakon, definicija in formula - električni točkovni naboji in njihova interakcija

Med nabitimi telesi obstaja interakcijska sila, zaradi katere se lahko privlačita ali odbijata. Coulombov zakon opisuje to silo, kaže stopnjo njenega delovanja, odvisno od velikosti in oblike samega telesa. O tem fizičnem zakonu bomo razpravljali v tem članku.

Formula Coulombovega zakona.

Vsebina

1 Stacionarni točkovni naboji
2 Torzijska tehtnica Charlesa Coulomba
3 Faktor sorazmernosti k in električna konstanta
4 Smer Coulombove sile in vektorska oblika formule
5 Kjer se v praksi uporablja Coulombov zakon
6 Smer sil v Coulombovem zakonu
7 Zgodovina odkritja zakona

Stacionarni točkovni naboji

Coulombov zakon velja za nepremična telesa, ki so veliko manjša od oddaljenosti od drugih predmetov. Na takih telesih je koncentriran točkovni električni naboj. Pri reševanju fizičnih problemov se dimenzije obravnavanih teles zanemarjajo, ker res niso pomembni.

V praksi so točkovni naboji v mirovanju prikazani na naslednji način:

Točkovni pozitivno nabit naboj q1.

V tem primeru q₁ in q₂ - to je pozitivno električni naboji, nanje pa deluje Coulombova sila (ni prikazana na sliki). Velikost točkovnih funkcij ni pomembna.

Opomba! Naboji v mirovanju se nahajajo na določeni razdalji drug od drugega, kar je v težavah običajno označeno s črko r. V nadaljevanju v članku bodo ti stroški obravnavani v vakuumu.

Torzijska tehtnica Charlesa Coulomba

Ta naprava, ki jo je razvil Coulomb leta 1777, je pomagala ugotoviti odvisnost sile, ki je bila pozneje poimenovana po njem. Z njegovo pomočjo se preučuje interakcija točkovnih nabojev, pa tudi magnetnih polov.

Torzijska tehtnica ima majhno svileno nit, ki se nahaja v navpični ravnini, s katere visi uravnotežen vzvod. Točkovni naboji se nahajajo na koncih vzvoda.

Pod delovanjem zunanjih sil se vzvod začne premikati vodoravno. Vzvod se bo premikal v ravnini, dokler ga ne uravnoteži elastična sila niti.

V procesu gibanja ročica odstopa od navpične osi za določen kot. Vzame se kot d in se imenuje rotacijski kot. Če poznamo vrednost tega parametra, je mogoče najti navor nastalih sil.

Preberite tudi: Kaj je električni tok s preprostimi besedami

Torzijsko ravnovesje Charlesa Coulomba izgleda takole:

Torzijska tehtnica Charlesa Coulomba.

Faktor sorazmernosti k in električna konstanta $\varepsilon_0$

V formuli Coulombovega zakona so parametri k - koeficient sorazmernosti oz. $\varepsilon_0$ je električna konstanta. Električna konstanta $\varepsilon_0$ predstavljeno v številnih referenčnih knjigah, učbenikih, internetu in ga ni treba šteti! Faktor sorazmernosti vakuuma na podlagi $\varepsilon_0$ najdemo po dobro znani formuli:

$k = \frac {1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}$

Tukaj $\varepsilon_0=8,85\cdot 10^{-12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ je električna konstanta,

$\pi=3,14$ - Pi,

$k=9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ je koeficient sorazmernosti v vakuumu.

Dodatne informacije! Brez poznavanja zgoraj predstavljenih parametrov ne bo mogoče najti sile interakcije med dvema točkovnim električnim nabojem.
Formulacija in formula Coulombovega zakona

Če povzamemo zgoraj navedeno, je treba podati uradno formulacijo glavnega zakona elektrostatike. Ima obliko:

Sila interakcije dveh točkovnih nabojev v mirovanju v vakuumu je neposredno sorazmerna zmnožku teh nabojev in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima. Poleg tega je treba zmnožek stroškov vzeti po modulu!

$F=k\cdot \frac {|q_1|\cdot |q_2|}{r^2}$

V tej formuli q₁ in q₂so točkovni naboji, obravnavana telesa; r² - razdalja na ravnini med temi telesi, vzeta v kvadratu; k je koeficient sorazmernosti ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ za vakuum).

Smer Coulombove sile in vektorska oblika formule

Za popolno razumevanje formule si lahko Coulombov zakon vizualiziramo:

Smer Coulombove sile za dva točkovna naboja enake polarnosti.

F_1,2- sila interakcije prvega naboja glede na drugi.

F_2,1- sila interakcije drugega naboja glede na prvi.

Tudi pri reševanju problemov elektrostatike je treba upoštevati pomembno pravilo: električni naboji z istim imenom se odbijajo, nasprotni naboji pa se privlačijo. Od tega je odvisna lokacija interakcijskih sil na sliki.

Če upoštevamo nasprotne naboje, bodo sile njihove interakcije usmerjene druga proti drugi, kar prikazuje njihovo privlačnost.

Smer Coulombove sile za dva točkovna naboja različne polarnosti.

Formulo osnovnega zakona elektrostatike v vektorski obliki lahko predstavimo na naslednji način:

$\vec F_1_2=\frac {1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}\cdot \frac {q_1\cdot q_2}{r_1_2^3}\cdot \vec r_1_2$

$\vec F_1_2$ je sila, ki deluje na točkovni naboj q1 s strani naboja q2,

$\vec r_1_2$ je vektor polmera, ki povezuje naboj q2 z nabojem q1,

Preberite tudi: Kako narediti elektronsko tiskano vezje doma?

$r=|\vec r_1_2|$

Pomembno! Ko zapišemo formulo v vektorski obliki, bo treba medsebojno delovanje dveh točkovnih električnih nabojev projicirati na os, da bi pravilno postavili znake. To dejanje je formalnost in se pogosto izvaja miselno brez opomb.

Kjer se v praksi uporablja Coulombov zakon

Osnovni zakon elektrostatike je najpomembnejše odkritje Charlesa Coulomba, ki je našlo svojo uporabo na številnih področjih.

Dela slavnega fizika so bila uporabljena pri izumljanju različnih naprav, naprav, aparatov. Na primer, strelovod.

S pomočjo strelovoda so stanovanjski objekti in objekti zaščiteni pred strelo med nevihto. Tako se poveča stopnja zaščite električne opreme.

Strelovod deluje po naslednjem principu: med nevihto se na tleh postopoma začnejo nabirati močni indukcijski naboji, ki se dvigajo in jih privlačijo oblaki. V tem primeru se na tleh tvori precej veliko električno polje. V bližini strelovoda postane električno polje močnejše, zaradi česar se s konice naprave vžge koronski električni naboj.

Nadalje se naboj, ki nastane na tleh, začne privlačiti naboju oblaka z nasprotnim predznakom, kot bi moralo biti po zakonu Charlesa Coulomba. Po tem gre zrak skozi proces ionizacije in jakost električnega polja se zmanjša blizu konca strelovoda. Tako je nevarnost vdora strele v stavbo minimalna.

Opomba! Če se udari v stavbo, na kateri je nameščen strelovod, potem požara ne bo, vsa energija pa bo šla v zemljo.

Na podlagi Coulombovega zakona je bila razvita naprava, imenovana "Particle Accelerator", po kateri je danes zelo povpraševanje.

V tej napravi se ustvari močno električno polje, ki poveča energijo delcev, ki padajo vanjo.

Smer sil v Coulombovem zakonu

Kot smo že omenili, je smer interakcijskih sil dveh točkovnih električnih nabojev odvisna od njune polarnosti. tiste. Naboji z istim imenom se bodo odbijali, naboji nasprotnih nabojev pa se bodo privlačili.

Preberite tudi: Kako narediti detektor kovin z lastnimi rokami, pomoč za začetnike

Coulombove sile lahko imenujemo tudi radij vektor, ker so usmerjeni vzdolž črte, ki je vlečena med njimi.

Pri nekaterih fizikalnih nalogah so podana telesa kompleksne oblike, ki jih ne moremo jemati za točkovni električni naboj, t.j. zanemarite njegovo velikost. V tej situaciji je treba obravnavano telo razdeliti na več majhnih delov in vsak del izračunati posebej z uporabo Coulombovega zakona.

Vektorji sil, ki jih dobimo z delitvijo, so povzeti po pravilih algebre in geometrije. Rezultat je nastala sila, ki bo odgovor za ta problem. Ta način reševanja se pogosto imenuje metoda trikotnika.

Smer vektorjev Coulombove sile.

Zgodovina odkritja zakona

Interakcije dveh točkovnih nabojev po zgoraj obravnavanem zakonu je leta 1785 prvič dokazal Charles Coulomb. Fiziku je uspelo dokazati resničnost oblikovanega zakona z uporabo torzijskih tehtnic, katerih princip delovanja je bil tudi predstavljen v članku.

Coulomb je tudi dokazal, da v sferičnem kondenzatorju ni električnega naboja. Tako je prišel do trditve, da je mogoče velikost elektrostatičnih sil spremeniti s spreminjanjem razdalje med obravnavanimi telesi.

Tako je Coulombov zakon še vedno najpomembnejši zakon elektrostatike, na podlagi katerega je prišlo do številnih največjih odkritij. V okviru tega člena je bilo predstavljeno uradno besedilo zakona in podrobno opisani njegovi sestavni deli.

Podobni članki: